Mit dem "Grünen Radlader" in eine grüne Zukunft

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Forschung Bagger und Lader
Die unterschiedlichen Industriepartner liefern die einzelnen Komponenten für den "Grünen Rad-lader". Foto: TU Dresden, Institut für Fluidtechnik

Auch Baumaschinen können zum Umweltschutz beitragen, wie ein aktuelles Gemeinschaftsprojekt von Industrie und Forschung zeigt: der "Grüne Radlader". Durch intelligente Antriebs- und Motortechnologie kann die neue Maschine, die es bisher nur als Prototyp gibt, bis zu zehn Prozent an Kraftstoff sparen. Auf der bauma 2016 wird sie der Öffentlichkeit präsentiert.

Im Zuge der Klimakrise steht die Schadstoffreduktion ganz oben auf den Agenden. Auch bei den Baumaschinen zeigt sich der Trend allein schon bei den Abgasregelungen der EU. Aber die Forschung geht noch weiter und entwickelt neue Technologien, mit denen Energie- und Schadstoffeinsparungen sogar zwischen 20 und 40 Prozent zu verzeichnen sind, wie neuere Analysen zeigen. Insbesondere bei der Antriebstechnologie für mobile Arbeitsmaschinen bewegt sich momentan viel. Ein Handlungsbedarf besteht allerdings noch in der Zusammenführung der verschiedenen Technologien, in Praxistests, in der konkreten Anwendung sowie in der Zusammenstellung vergleichender Bewertungen.

Bewältigung der Klimakrise durch Technologie

Herausforderungen begegnen

Eine Herausforderung bei der Entwicklung effizienter Maschinen besteht in der Tatsache, dass die einzelnen Antriebssysteme der Geräte wie Fahrantrieb, Dieselmotor und Arbeitshydraulik weitgehend unabhängig voneinander von unterschiedlichen Zulieferern mit entsprechendem Know-how entwickelt und an die Hersteller geliefert werden. Gerade aber die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Funktionen und den prozessseitig bedingten Lasten spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung von Antrieben. Eine Lösung wurde nun in der Entwicklung einer Demonstratormaschine gefunden.

In einem Verbundprojekt, TEAM (Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen), gefördert und finanziert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), wurde ein solcher Demonstrator entwickelt - der "Grüne Radlader". Mit diesem Gemeinschaftsprojekt verfolgten die beteiligten sechs Industrieunternehmen und drei Forschungsinstitute deutscher Universitäten folgende Ziele, die:

- Analyse und Weiterentwicklung bestehender Systemlösungen

- Entwicklung von anwendungsspezifisch optimierten Antriebskomponenten

- Erarbeitung von Methoden und Werkzeugen zur ganzheitlichen Maschinenbetrachtung

- Schaffung einer Grundlage zur Effizienzbeurteilung in mobilen Arbeitsmaschinen

- Erprobung und Bewertung der Antriebstechnologien anhand von Demonstratoren

Das TEAM Projekt bestand insgesamt aus fünf Teilprojekten, an denen fünf Hochschulinstitute und 19 Industriepartner arbeiteten. Insgesamt drei Jahre - von Februar 2012 bis April 2015 - feilten die Beteiligten in intensiver Entwicklungsarbeit an neuen Lösungen zur Senkung des Kraftstoffbedarfs und der Emissionen bei mobilen Arbeitsmaschinen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Vorhaben mit über 4 Mio. Euro.

Die einzelnen Schritte

Innerhalb der Projektarbeit wurden verschiedene Arbeitsgruppen eingeteilt: Zunächst ging es um die energetische Beurteilung und Analyse von Antriebssystemen. Hierzu wurden geeignete Methoden und Instrumente entwickelt. Ziel war die Schaffung einer wissenschaftlichen Grundlage zur Effizienzbeurteilung der Arbeitsmaschinen. Dabei wurden umfangreiche Feldmessungen an konkreten Anwendungsbeispielen durchgeführt. In einem weiteren Schritt ermittelten die Ingenieure Referenzmodelle, die Vergleichsparameter liefern, mit denen bereits während des Entwurfsprozesses die Interaktion von Erdmaterial und Maschine in Bezug gesetzt und der prozessbezogene Energiebedarf ermittelt wurde. Im Detail ging es dann um die konkrete Entwicklung neuer Antriebstechnologien und entsprechender Komponenten, wie verdrängergesteuerte Systeme der Arbeitshydraulik, leistungsverzweigte Getriebe, Hybridantrieb, Punktmotor, schnelldrehende elektrische Antriebe. Schließlich wurden die einzelnen Komponenten in der Demonstrationsmaschine zusammengeführt. Parallel dazu erfolgte die Erarbeitung geeigneter Steuerungsstrategien. Abschließend wurde die Modellmaschine in der Praxis erprobt und bewertet.

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Das Maschinensteuerungssystem in einer graphischen Übersicht. Foto: TU Dresden, Institut für Fluidtechnik
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Das Verbesserungspotenzial durch den Hybridantrieb. Foto: RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen

Entwicklung von Modellmaschinen

Im Rahmen von TEAM wurden neben dem "Grünen Radlader" auch weitere Pilotmaschinen gebaut. Beim Radlader zeigte sich besonders, dass die Effizienz der Maschine durch die Verbesserung einzelner Komponenten sowie der Ansteuerung erheblich optimiert werden konnte. Für Komponenten wie Motor und Hydraulik haben die Baumaschinenhersteller bereits neue Technologien entwickelt und erprobt. Die weitere Optimierung der Arbeitseffizienz und des Energieverbrauchs kann aber zusätzlich durch die steuertechnische Verknüpfung der Teilsysteme erreicht werden.

Konkrete Vorgehensweise

Bei dem Modellradlader handelt es sich um einen 24-Tonner mit einer Dieselmotorleistung von 200 kW. Für diesen Maschinentyp wählten die Ingenieure die vielversprechendsten Antriebslösungen aus. Diese einzelnen Systeme wurden dann durch eine übergeordnete Maschinensteuerung in ein Gesamtantriebskonzept vereinigt. In der Entwicklungsphase bedienten sich die Ingenieure der Simulation, um komplexe Ansteuerstrategien zu entwickeln und erzielbare Einsparpotenziale bereits in diesem Stadium abzuschätzen. Die Funktion der Teilsysteme wurde dann mithilfe von Prüfständen evaluiert. Ein "Hardware in the Loop"(HiL)-Prüfstand unterstützte dabei die Softwareentwicklung für die Maschinensteuerung des "Grünen Radladers".

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Die Entwicklung des Drehmoments in der Simulation. Foto: RWTH Aachen, Institut für
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Der Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Maschine. Foto: TU Dresden, Institut für Fluidtechnik

Effizientes Antriebs- und Steuerungskonzept

Und so funktioniert es: Der optimierte Dieselmotor treibt über ein Pumpenverteilergetriebe das Leistungsverzweigungsgetriebe an, das Bosch Rexroth in Zusammenarbeit mit DANA Rexroth Transmission Systems (DRTS) beigesteuert hat. Jeweils ein separater geschlossener hydraulischer Kreis versorgt die Hub- und Kippfunktion des Laders. Die Einsparung von Energie erfolgt zum einen in der Rückführung von frei werdender Energie bei Verlangsamung der Maschine und Absenken von Lasten. Diese Energie fängt ein hydrostatisches Parallelhybridsystem auf, um sie dann wieder an anderer Stelle zum Verbrauch zu führen. Dieses Parallelhybridsystem besteht unter anderem aus einer Verdrängereinheit von Liebherr und unterstützt den Dieselmotor als dynamische Leistungsquelle beziehungsweise -senke.

Jedes Teilsystem verfügt über eine separate Elektronik mit Ansteuer-, Diagnose- und Sicherheitsfunktionen. Die zentrale Maschinensteuerung hat das Institut für Fluidtechnik der TU Dresden entwickelt. Diese steuert die Subsysteme via CAN (Controller Area Network)-Bus entsprechend der Bedienereingaben. Das Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung der RWTH Aachen übernahm die Simulation und Erprobung des Leistungsverzweigungsgetriebes sowie die Entwicklung von Betriebsstrategien dafür. Die Verbesserung der Abstimmung von Antrieb und Motor erfolgte durch die Entwicklung entsprechender Algorithmen.

Drehzahloptimierte Betriebsstrategie

Die ausgetüftelte Maschinensteuerung der Dresdener ermöglicht das Arbeiten des Motors mit möglichst niedriger Drehzahl. Voraussetzung dafür sind Signale vom Joystick und Fahrpedal, die die jeweiligen Geschwindigkeits- und Zugkraftwünsche an Arbeitsausrüstung und Fahrantrieb weiterleitet. Die Software ermittelt auf dieser Basis die minimal notwendige Dieselmotordrehzahl, um die Bedieneranforderungen zu erfüllen. Somit arbeitet die Maschine auf der technisch möglich niedrigsten Drehzahl.

Zudem wurde im Rahmen des Projekts eine verbesserte Abstimmung von Dieselmotor und Antrieb angestrebt. So wurde die Drehzahlvorgabe entsprechend der Verbrauchslinie des Motors ausgerichtet. Darüber hinaus kam es zur Reduzierung der Schleppverluste im Antriebsstrang, was aufgrund steigender Auslastung zu höheren Motorwirkungsgraden führt. Ein überlagertes Leistungsmanagement - eine Komponente, die als übergeordnetes Kontrollorgan fungiert - dosiert entsprechend der jeweiligen Betriebssituation das Drehmoment des Hybridmoduls und unterstützt den Motor somit dynamisch je nach Anforderung.

Modulare Softwarearchitektur der Maschinensteuerung

Die Besonderheit des "Grünen Radladers" liegt darin, dass die Maschinensteuerung alle Steuerungskomponenten zu einem Gesamtsystem vereinigt. Die einzelnen Module der Steuerungssoftware wiederum unterscheiden sich je nach Verantwortlichkeiten im Gesamtsystem.

Eine Zustandsmaschine regelt den prinzipiellen Ablauf des Radladers. Sie bringt alle Teilsysteme in Gang, regelt den Stillstands- und den Operationsbetrieb sowie das Abschalten aller Systeme, für den Fall, dass die Zündung deaktiviert wird oder ein Fehler auftritt. Neben dem Leistungsmanagement nimmt ein weiteres Modul für die Kommunikation eine zentrale Rolle ein. Es bildet die Schnittstelle zwischen Maschinensteuerung und der restlichen Maschine, was eine Plattformunabhängigkeit der Steuerung ermöglicht.

Optimierter Verbrennungsmotor für Hybridantriebe

Das Problem herkömmlicher Motoren liegt in den hohen Betriebsdrehzahlen, die konventionelle Antriebe fordern. Durch die Absenkung der Nenndrehzahl, auch Downspeeding genannt, kann viel Kraftstoff gespart werden. Erreicht wird dies durch das Punkt-Motorkonzept, mit dem der Motor ein extremes Downspeeding erfährt und sich auf den kleinen Bereich des Bestverbrauchs beschränkt. Die dadurch entstehenden "Lücken" in der Gesamtdynamik werden durch Hybridkomponenten und die angepassten Antriebe für Arbeits- und Fahrfunktion kompensiert. Aus der Begrenzung des Betriebsbereichs resultiert zudem eine Verkleinerung des Hubraums bei gleicher Nennleistung. Daraus kann sich ein geringerer Bauraum ergeben, was sich bei Kompaktmaschinen, wie sie im Garten- und Landschaftsbau eingesetzt werden, besonders verdient machen dürfte.

Die Grundidee des Punktmotors ist es also, die Dynamik weitestgehend ins Hybridsystem zu verlagern und den Motor überwiegend für die stationären verbrauchsoptimierten Bereiche arbeiten zu lassen. Für die Motorentwicklung des "Grünen Radladers" zeichnen der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen und die Deutz AG verantwortlich.

Für die Untersuchungen wurde ein turboaufgeladener Dieselmotor TCD 7.8 L6 von Deutz herangezogen, der mit Tier-4-Final die aktuell strengste Abgasemissionsgesetzgebung erfüllt. Er verfügt über eine gekühlte Abgasrückführung (AGR) mit einem 2000-bar-Common-Rail-Einspritzsystem und einem Abgasnachbehandlungssystem (AGN), bestehend aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), einem Dieselpartikelfilter (DPF) und einer Selective Catalytic Reduction (SCR). In der Basisversion erreicht der Motor eine maximale Leistung von 250 kW bei 2200 U/min und ein maximales Drehmoment von 1400 Nm bei 1450 U/min. Dieser Motor wurde dann für den "Grünen Radlader" entsprechend des Punktmotor-Konzepts weiterentwickelt.

Auch der Motor wurde in der Simulation getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die reduzierte Drehzahlspreizung den Einsatz entsprechend eines effizienteren Turboladers möglich machte, der zudem ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen schafft. Die reduzierte Leistung und Drehzahl ermöglichen weiterhin den Einsatz von Einspritzdüsen mit kleinerem hydraulischem Durchfluss. Sie führten in den Untersuchungen tendenziell zu einer verminderten Partikelemission infolge einer Verbesserung der Kraftstoffaufbereitung. Ein geringerer Kraftstoffverbrauch konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.

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Die abschließenden Tests des "Grünen Rad-laders" erfolgten im realen Baustellenbetrieb. Foto: TU Dresden, Institut für Fluidtechnik

Downspeeding führt zu 8 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch

Für die Punktmotor-Version wurde die Nenndrehzahl auf 1600 U/min abgesenkt und das maximale Drehmoment auf 1500 Nm bei 1200 U/min angehoben. Die größten Effekte beim Downspeeding ergeben sich aus einer Verringerung der Reibung und einer effizienteren Verbrennung. Die Reibung nimmt parallel zur Drehzahl ab. Bei der Verbrennung kann die Wirkungsgradverbesserung optimiert werden, da bei sinkender Drehzahl mehr Zeit für die Gemischbildung und Verbrennung bleibt.

Das Downspeeding führte beim untersuchten Dieselmotor zu einer Verbrauchsverringerung von etwa 7 Prozent. Außerdem wurde der Kraftstoffverbrauch um ein weiteres Prozent verringert. Mit dem Punktmotor-Konzept konnte also insgesamt eine signifikante Minderung des Kraftstoffverbrauchs beziehungsweise der CO2-Emission von etwa 8 Prozent dargestellt werden. Insgesamt zeichnet sich das neu entwickelte Motorenkonzept durch ein sicheres Einhalten künftiger Schadstoffgrenzwerte aus, wobei bis zu 8 Prozent weniger Verbrauch im Non-Road Transient Cycle durch Downspeeding und Einsatz eines optimierten Turboladers resultieren. Zudem kann durch eine gezielte Abstimmung der Kalibrierung von Motor und Abgasnachbehandlung im Arbeitsbereich des Punktmotors eine weitere Verbrauchsverringerung von bis zu 2Prozent erfolgen.

Erprobung der Funktionalität

Um die Wirksamkeit der neuen Systeme zu überprüfen, wurden alle Funktionen des Grünen Radladers in Simulation überprüft. Hierfür wurde eigens ein sogenannter "Hardware in the Loop"(HiL)-Prüfstand entwickelt. Mittels echtzeitfähiger Simulation von Antrieb und Steuerung wird das Verhalten der Maschine unter die Lupe genommen. Auch die Bedienungskomponenten wie Joystick, Pedale und Display wurden in den HiL-Prüfstand integriert. So lassen sich neben der Kommunikation und Benutzerinteraktion implementierte Steuerungsalgorithmen gefahrlos erproben. In der Simulation wurde zudem das Leistungsverzweigungsgetriebe geprüft; auch die Getriebeverstelldynamik und die Steuerung des Hybridmodells wurden untersucht. Weitere Stationen erfolgten dann in einem Kieswerk.

Der "Grüne Radlader" wird gebaut

Im nächsten Schritt, nach erfolgreichem Bestehen aller Tests erfolgte der eigentliche Bau des Radladers, indem alle Teilsysteme in die Demonstratormaschine "Grüner Radlader" eingebaut wurden. Dann erfolgten wiederum Testfahrten in einer Kiesgrube, um Funktionalität und Leistungsfähigkeit auf den Prüfstand zu stellen und gegebenenfalls die Maschinensteuerung weiter zu entwickeln. Und auch hier wurde nochmals ein Augenmerk auf die Drehzahl gelenkt. Denn bei längeren Fahrstrecken kann die Drehzahlreduktion zu einer signifikanten Kraftstoffminimierung führen. Um auch die Bedienerfreundlichkeit zu testen, haben die Ingenieure professionelle Maschinenführer engagiert, die diese Funktionalitäten testeten.

In einem nächsten Schritt wurden die Ergebnisse dann mit Hilfe einer Vergleichsmaschine gemessen. Dafür wurde eine hocheffiziente Maschine jüngster Generation gewählt, die über einen EU-Stufe-4-Dieselmotor mit 12,8 l Hubraum und einer Leistung von 220 kW angetrieben wird und über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit Überbrückungskupplung und 4-Gang-Lastschaltgetriebe verfügt. Im direkten Vergleich verbuchte der "Grüne Radlader" bereits in den ersten Messungen mehr als 10 Prozent Kraftstoffersparnis im kurzen Ladespiel. Die Vergleichsmaschine arbeitete mit höheren Drehzahlen als der "Grüne Radlader", der vor allem von der zurückgeführten Energie profitiert, die wieder in die Teilsysteme gespeist wird.

Eine direkte Kommerzialisierung des "Grünen Radladers" wird es nicht geben, da es sich um ein vorwettbewerbliches Forschungsvorhaben mit Beteiligung verschiedenster Industriepartner handelt. Die Vermarktungsentscheidungen treffen die Maschinenhersteller und Zulieferer unabhängig im Rahmen ihrer Produktstrategie, wie Dipl.-Ing. Markus Schneider, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden erklärt. Einzelne Aspekte befinden sich bereits heute in der Umsetzung bei den beteiligten Projektpartnern. Dazu ist über das Forschungsvorhaben hinaus weiterer Entwicklungsaufwand nötig, um die überwiegend prototypischen Subsysteme und die Maschinensteuerung zur Serienreife zu bringen.

Nutzen für den GaLaBau

Insbesondere für Landschaftsgärtner sowie Landschaftsarchitekten kann der "Grüne Radlader" erhebliche Vorteile bieten. Im GaLaBau kommen vor allem kompakte Radlader mit kleiner bis mittlerer Leistung zum Einsatz. Diese Maschinen verbringen einen Großteil ihrer Betriebsdauer im Leerlauf als Stand-by Geräte oder bei niedriger Belastung. Funktionen wie Drehzahlabsenkung und Start-Stopp-Automatik können zu erheblichen Kraftstoffeinsparungen führen, was den ausführenden Betrieben kostenmäßig zugutekommt.

Forschung für die Energiewende

Bau-, Land- und Forstmaschinen, Maschinen zur Fördertechnik sowie Kommunal- und Spezialfahrzeuge verbrauchen über 80 Prozent des jährlichen Dieselverbrauchs außerhalb des Straßenverkehrs. Mit der entsprechenden innovativen Antriebstechnik und intelligenten Betriebsstrategie könnten schätzungsweise bis zu 40 Prozent Energie und Schadstoffe eingespart werden. Dank der sowohl technischen Einzellösungen als auch der neuartigen Systemansätze wie dem "Grünen Radlader" kann ein großer Schritt nach vorn gegangen werden. Seine Ausstattung mit einem leistungsverzweigten Getriebe für den Fahrantrieb, moderner Hybridtechnologie, einem optimierten Dieselmotor und einer verdrängergesteuerten Arbeitshydraulik entspricht den neuesten innovativen Lösungen, die bereits einige Unternehmen aufgegriffen haben, um die Modellmaschine marktfähig zu machen.

Am 23. April 2015, also vor einem Jahr, präsentierten die Forscher den "Grünen Radlader" in Dresden. Bei der Vorführung konnten sich die 130 Teilnehmer davon überzeugen, inwieweit aus Theorie umsetzbare Praxis werden kann. Mit der Modellmaschine konnten die Entwickler zeigen, dass der Kraftstoffverbrauch des "Grünen Radladers" im Vergleich zu einer Serienmaschine der Spitzenklasse um zehn Prozent geringer ausfällt. Die damals anwesenden Politiker und Institutsleiter zeigten sich einhellig begeistert von den Ergebnissen: Forschung kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende liefern, solch bahnbrechende Vorhaben müssten weiter unterstützt werden und das Verbundprojekt habe zu weiterführenden Lösungsansätzen geführt, hinsichtlich der Forschungsthemen und auch der industriellen Nutzung.

Der im Rahmen des TEAM-Projektes entstandene funktionsfähige Prototyp wird auf der bauma 2016 im Freigelände zwischen den Hallen B0 und B1 zu sehen sein.

Worin liegen die Hauptunterschiede des Grünen Radladers gegenüber gegenwärtigen Radladern der neueren Generation?

– im Hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe für den Fahrantrieb (stufenlos verstellbar, sehr guter Wirkungsgrad, Energierückspeisung beim Bremsen möglich)

– in der verdrängergesteuerten, rückspeisefähigen Arbeitshydraulik (Hub-, Kipp- und Lenkfunktion werden jeweils von einer separaten Pumpe versorgt, frei werdende Energie beim Auskippen der Schaufel und Absenken des Hubgerüstes kann rückgewonnen werden.)

– im hydrostatischen Hybridmodul (Zwischenspeicherung rückgespeister Energie, Boostfunktion)

– im Dieselmotor mit geringem Hubraum (7,8 l) und niedriger Drehzahl (maximal 1600 U/min) bei gleicher Leistung (200 kW) wie in dieser Maschinenklasse üblich, Abgasstufe 4/TIER 4f

– in der neuartigen Maschinensteuerung: Der Bediener steuert nicht direkt den Dieselmotor, wie in herkömmlichen Maschinen, sondern gibt mit Gaspedal und Joystick Geschwindigkeits- und Zugkraftwünsche für Fahrantrieb und Arbeitsausrüstung vor. Die Maschinensteuerung bestimmt daraus die optimale Dieselmotordrehzahl und verteilt die zur Verfügung stehende Leistung auf die Subsysteme.

Beteiligte Firmen und InstituteBosch Rexroth in Zusammenarbeit mit Dana

Rexroth Transmission Systems (DRTS), Deutz (Dieselmotor), Danfoss Power Solutions (Arbeitsausrüstung), Hydac (Hybrid), Liebherr (Integration und Montage) sowie die RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (Dieselmotor), Institut für Fluidtechnik der TU Dresden.

Dr. Andrea Brill
Autorin

Brill PR

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